一种超临界压力下二氧化碳的直接液化捕集系统和方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集
技术领域
，具体为一种超临界压力下二氧化碳的直接液化捕集系统和方法。背景技术
碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等)是指将大型发电厂所产生的二氧化碳(CO2)收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。2012年8月6日，中国首个二氧化碳封存至咸水层项目获重要突破。
CCS技术可以分为捕集、运输以及封存三个步骤，商业化的二氧化碳捕集已经运营了一段时间，技术已发展得较为成熟，而二氧化碳封存技术各国还在进行大规模的实验。
二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集(Pre-combustion)、富氧燃烧(Oxy-fuel combustion)和燃烧后捕集(Post-combustion)。
在工业上，传统的二氧化碳捕集的后期均采用压缩的方式将二氧化碳液化，即将二氧化碳多级压缩来实现捕集后的液化，使用大功率的电压缩机，因此捕集系统庞大，耗费大量的能源。
为了解决碳捕集的问题，本申请参考余热制冷相关机组，参考专利CN201711364115.9，提出了一种超临界压力下二氧化碳的直接液化捕集系统和方法，用于解决现有的二氧化碳捕集过程中所出现的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界压力下二氧化碳的直接液化捕集系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括一级冷却釜、吸收塔、GAX换热器、再生塔、脱硫装置、二级冷却釜和液态二氧化碳贮罐，其特征在于：一级冷却釜与吸收塔连接，吸收塔上设置有原料气进口，冷却釜与吸收塔之间设置有循环管，一级冷却釜设置有冷却水进水管和冷却水出水管，吸收塔上设置有净化气排气管，原料气进口压力为0.1至10MPa，原料气为工业尾气、烟道气或纯的较低压力的二氧化碳中的一种或几种混合，吸收塔与再生塔之间通过第一导液管连接，再生塔与循环管之间连接有第二导液管，第一导液管与第二导液管之间设置GAX换热器，再生塔与二级冷却釜之间通过第三导液管连接，第三导液管上设置有脱硫装置，二级冷却釜连接有第四导液管，第四导液管连接有液态二氧化碳贮罐。
优选的，循环管上设置有循环泵。
优选的，第一导液管上设置有输送液泵，第二导液管上设置有阀门。
优选的，再生塔内设置有热源进管和热源出管，热源进管和热源出管之间设置有第一换热装置，再生塔的压力范围为0.15至15MPa，解吸所用热源首选余热或热电联供之热源，温度100-350℃。
优选的，二级冷却釜上设置有第二换热装置。
优选的，第二换热装置的上端与第三导液管连接，第二换热装置的下端与第四导液管连接。
优选的，二级冷却釜上设置有冷媒进液管和冷媒出液管。
优选的，冷媒可以为自然冷源、空气、冷却水或来自制冷机组的冷却工质。
优选的，吸收液可以为醇氨混合物、氨水混合物的一种或几种组合而成，热源进管内通入的热源可以为烟气、蒸汽、乏汽和CHP能源站的一种或几种，吸收液配方中含弱碱性吸收剂、表面活性剂和防腐剂等，主要活性成分为有机胺和醇胺，两种机理的物质配比为：有机胺:60-95％，醇胺:5-40％,并根据实际操作条件进一步优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本方案通过一步法来捕集二氧化碳，相比于现有技术中的先补及再压缩的两步法来说，减少了电压缩机的能耗，只消耗部分热量，将低品位的热量用来进行二氧化碳的捕集，节能减排。
2、本方案的二氧化碳在再生塔内本身处于高压状态，高于二氧化碳的临界压力，此状态下的二氧化碳有着较好的传热性能，更容易换热，因此在二级冷却釜中，冷媒仅需温度低于临界温度31.2摄氏度，如果采取余热制冷机组供给冷媒，将会极大地提高二氧化碳液化效率。
3、在本方案中，热源除了供给给再生塔，还可以串联供给给余热制冷机组，所制得的冷量可用于最终二氧化碳的液化，提升能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超临界压力下二氧化碳的直接液化捕集系统和方法，包括一级冷却釜、吸收塔、GAX换热器、再生塔、脱硫装置、二级冷却釜和液态二氧化碳贮罐，其特征在于：一级冷却釜与吸收塔连接，吸收塔上设置有原料气进口，冷却釜与吸收塔之间设置有循环管，一级冷却釜设置有冷却水进水管和冷却水出水管，吸收塔上设置有净化气排气管，吸收塔与再生塔之间通过第一导液管连接，再生塔与循环管之间连接有第二导液管，第一导液管与第二导液管之间设置GAX换热器，再生塔与二级冷却釜之间通过第三导液管连接，第三导液管上设置有脱硫装置，二级冷却釜连接有第四导液管，第四导液管连接有液态二氧化碳贮罐，该结构通过一步法来捕集二氧化碳，相比于现有技术中的先补及再压缩的两步法来说，减少了电压缩机的能耗，只消耗部分热量，将低品位的热量用来进行二氧化碳的捕集，节能减排。
循环管上设置有循环泵，第一导液管上设置有输送液泵，第二导液管上设置有阀门，再生塔内设置有热源进管和热源出管，热源进管和热源出管之间设置有第一换热装置，二级冷却釜上设置有第二换热装置，第二换热装置的上端与第三导液管连接，第二换热装置的下端与第四导液管连接，二级冷却釜上设置有冷媒进液管和冷媒出液管，二氧化碳在再生塔内本身处于高压状态，高于二氧化碳的临界压力，因此在二级冷却釜中，冷媒仅需温度低于临界温度31.2摄氏度，即可得到液态二氧化碳，如果采取余热制冷机组供给冷媒，将会大大降低冷却水的温度，进而提高二氧化碳液化效率。
解吸(再生)压力与后续的冷凝温度(一般是环境温度)相关，优选低温自然冷源，如冷却水、湿式空冷等(低于30℃)，冷凝和解吸压力在近临界和超临界之间(优选范围2.5-10MPa)，从而使解吸的二氧化碳直接一步液化；解吸所用热源首选余热或热电联供之热源，温度100-350℃，若结合余热发电温度上限可以提高；吸收剂配方着重考虑了在较高压力下解吸温度较低、能耗较低的要求，配方中含弱碱性吸收剂、表面活性剂和防腐剂等，本公开书涉及的吸收剂混合物主要活性成分为有机胺和醇胺，为平衡吸收量和吸收速率两种机理的物质配比为：有机胺:60-95％，醇胺:5-40％,并根据实际操作条件(余热/热源温度，原料成分等)进一步优化。
再生后的吸收液返回吸收塔前，经过换热器将热量传递给来自吸收塔的富碳溶液，然后(a)经过水力透平机回收压力功并降压，或(b)经过喷射器，或(c)a+b后到达吸收塔，实现了内部余热余压的全利用；相比于现有技术中的先捕集再压缩的两步法来说，减少了电压缩机的能耗，只消耗部分热量，将低品位的热量用来进行二氧化碳的捕集，二氧化碳在再生塔内本身处于较高压力状态，以达到二氧化碳液化。
本发明还可以结合二氧化碳液化，集成增加制冷模块，即利用液态二氧化碳的膨胀蒸发实现制冷，蒸发产生的二氧化碳低压气体与原料气混合返回吸收塔，完成制冷循环。
本发明还可以结合二氧化碳液化，或包含制冷模块，集成增加发电(产生动力)模块。在热源温度较高的情境下，提高二氧化碳再生汽的压力，使之驱动气体透平机输出直接用功，或发电；之后，二氧化碳气体液化回收，完成发电循环。实现热源的高效全谱利用。
水力透平机和气体透平机的输出功可部分直接用于内部的溶液泵或全部发电输出。
以上提及的低压二氧化碳气体均为原料气压力、吸收器压力或略高。
可以是多效设计，即多于一个吸收塔，多于一个再生塔；内部传热传质原件全逆流，并结合内部换热器，实现Exergy(火用)损失最小化；能源效率最优化。
实施例：将含有二氧化碳的原料气通入吸收塔，吸收塔内设置有吸收液，吸收液吸收原料气中的二氧化碳，在此过程中，吸收液通过一级冷却釜进行循环冷却，提升吸收效果，被吸收过后的原料气经净化气排气管排出，作后续处理，吸收过二氧化碳的吸收液进入再生塔，在持续通入热源的情况下，再生塔内压力升高，达到二氧化碳的临界压力，吸收液通过第一换热装置后分解出二氧化碳，然后经第二导液管进入循环管，在此过程中第二导液管与第一导液管通过GAX换热器进行换热，再生塔中产生的二氧化碳在经过第三导液管时，被脱硫装置脱去其中的硫，再进入到二级冷却釜内，在二级冷却釜内通过第二换热装置与冷媒换热，因为二氧化碳处在超临界压力下，被冷媒换热降温后液化，然后转入液态二氧化碳贮罐。
吸收液可以为醇氨混合物、氨水混合物的一种或几种组合而成，热源进管内通入的热源可以为烟气、蒸汽、乏汽和CHP能源站的一种或几种，冷媒可以为低温冷却水或提供冷却水的制冷机组，本方案中，热源除了供给给再生塔，还可以串联供给给余热制冷机组，所制得的冷量可用于最终二氧化碳的液化，提升能量利用率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
